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Zwei-, Drei- und Vierleiter-Messumformer: Die Stromschleife richtig versorgen
„Wie viele Leiter braucht dieser Messumformer?“ ist eine Verdrahtungsfrage, im Kern aber eine Frage der Energieversorgung. Ein Messumformer muss messen und kommunizieren. Wie viele Leiter er benötigt, hängt davon ab, woher er seine Energie bezieht. Eine falsche Auslegung kann dazu führen, dass die Schleife nicht versorgt wird, falsche Werte liefert oder eine Karte beschädigt wird.
Der schleifengespeiste Zweileiter-Messumformer
Ein Zweileiter-Messumformer bezieht seine gesamte Energie aus dem Strom der Schleife. Dieselben zwei Leiter übertragen sowohl die DC-Versorgung als auch das 4–20 mA-Signal. Es gibt kein separates Versorgungskabel: Der Messumformer ist schleifengespeist, und die 24 V DC-Versorgung wird am Schaltschrank oder an der Rangierung in Reihe in die Schleife geschaltet.
Das ist bei der überwiegenden Mehrheit der Prozessmessumformer für Druck, Temperatur, Füllstand und Durchfluss üblich, weil pro Gerät nur zwei Leiter benötigt werden und die Schaltung grundsätzlich einfach ist. Dafür steht nur begrenzte Leistung zur Verfügung: Die gesamte Elektronik muss mit dem kleinsten Strom arbeiten, der in den spezifizierten Betriebs- und Fehlermodi verfügbar ist, und zugleich den Signalstrom korrekt halten. Deshalb ist die intern verfügbare Leistung von Zweileitergeräten etwa für große Anzeigen oder beheizte Sensoren begrenzt.
| Eigenschaft | Zweileiter | Dreileiter | Vierleiter |
|---|---|---|---|
| Energiequelle | Bei schleifengespeister Ausführung dasselbe Leiterpaar wie für das Signal | Separate Versorgung mit gemeinsamem Bezugspotenzial | Separates Versorgungs- und Signalleiterpaar |
| Typischer Ausgang | 4–20 mA | Strom oder Spannung, je nach Ausführung | Strom oder Spannung, je nach Ausführung |
| Verfügbare Leistung | Durch Schleifenspannung und Mindeststrom begrenzt | Grenzen von Versorgung und gemeinsamem Leiter | Kennwerte der separaten Versorgung |
| Isolation | Tatsächliche Spezifikation prüfen | Tatsächliche Spezifikation prüfen | Durch vier Leiter nicht gewährleistet |
| Anschlussprüfung | Schleifenspeisung und kompatibler Eingang | Ausgangsart, Bezugspotenzial sowie stromlieferndes/stromaufnehmendes Verhalten | Versorgungskennwerte und aktiver/passiver Ausgang |
Der Dreileiter-Kompromiss
Ein Dreileiter-Messumformer besitzt zwei Versorgungsleiter und einen dritten Leiter für das Signal; ein Leiter dient als gemeinsamer Bezugsleiter. Diese Lösung wird für Geräte verwendet, die mehr Leistung benötigen, als eine Stromschleife bereitstellen kann, bei denen der Hersteller aber gegenüber einem vollständigen Vierleiteranschluss einen Leiter einsparen möchte. Üblich sind ein Spannungsausgang von 0–10 V oder ein 4–20 mA-Ausgang mit demselben Bezugspotenzial wie die Versorgung.
Der gemeinsame Bezugsleiter eines Dreileitergeräts verdient besondere Aufmerksamkeit. Sein Spannungsabfall wirkt sich unmittelbar auf ein bezogenes Spannungssignal aus. Ein Stromausgang verhält sich anders, solange seine Aussteuerungs- oder Gleichtaktgrenze nicht überschritten wird. Prüfen Sie Leiterwiderstand, Eingangsart und zulässige Potenzialunterschiede für die tatsächliche Schaltung.
Der separat gespeiste Vierleiter-Messumformer
Ein Vierleiter-Messumformer besitzt zwei Leiter für seine eigene Versorgung, üblicherweise 24 V DC oder 110/220 V AC, und zwei separate Leiter für das Ausgangssignal. Versorgung und Signal können galvanisch getrennt sein, müssen es aber nicht. Diese Ausführung wird bei höherem Leistungsbedarf eingesetzt: Radar-Messumformer mit Antennenheizung, Analysegeräte, Durchflussrechner und Messumformer mit großer Vor-Ort-Anzeige oder Relaisausgang.
Eine Vierleiterausführung stellt ein separates Leistungsbudget bereit. Die Isolation zwischen Versorgung, Signal, Sensor und Erde ist eine zusätzliche zu prüfende Spezifikation und ergibt sich nicht aus der Leiterzahl. Prüfen Sie außerdem vor dem Anschluss an einen gespeisten Eingang, ob der Stromausgang aktiv oder passiv ist.
Die Spannungsabfallberechnung für die Stromschleife
Bei einer schleifengespeisten Stromschaltung muss die Versorgung die Mindestklemmenspannung des Messumformers, den Kabelwiderstand von Hin- und Rückleitung, Reihenlasten und Spannungsabfälle zugehöriger Geräte abdecken. Für einen separat gespeisten Spannungsausgang gilt eine andere Lastberechnung. Für die Stromschleife gilt:
Versorgungsspannung ≥ Mindestspannung des Messumformers + Imax × gesamter Reihenwiderstand + weitere spezifizierte Spannungsabfälle, zuzüglich Auslegungsreserve.
Bei 20 mA ergeben angenommene Werte von 12 V Mindestspannung des Messumformers, 250 Ohm Last und 150 Ohm Kabelwiderstand für Hin- und Rückleitung insgesamt 12 + 5 + 3 = 20 V. Von einer 24 V-Quelle bleiben 4 V Reserve. Bei 22 mA fallen an denselben ohmschen Lasten 8.8 V ab; es bleiben 3.2 V. Prüfen Sie den tatsächlichen Höchststrom, die Mindestversorgung, Barrieren und Toleranzen, bevor Sie diese Reserve akzeptieren.
Die passende Schaltung auswählen
Standardmessung mit 4–20 mA → Ein Zweileitergerät kommt infrage, wenn Leistungsbedarf und Ansprechverhalten zur Anwendung passen.
Ein gespeister Sensor oder ein Gerät mit mäßigem Leistungsbedarf → Dreileiter, wobei mögliche Erdungsfehler am gemeinsamen Bezugsleiter zu beachten sind.
Ein Gerät mit höherem Leistungsbedarf → Die spezifizierte separate Versorgung verwenden und Isolation sowie Ausgangsart ausdrücklich prüfen.
Eine sicherheitsbezogene oder kritische Schleife → Sicherheitshandbuch und freigegebene Architektur einschließlich Versorgungszuverlässigkeit, Diagnose und ungünstigster Spannungsbilanz beachten. Die Leiterzahl allein belegt keine Eignung.
Fragen aus der Instandhaltung
F1. Kann ich einen Vierleiter-Messumformer aus der Schleife speisen?
Nur wenn der Hersteller ausdrücklich eine schleifengespeiste Betriebskonfiguration vorsieht. Ein separat gespeistes Gerät benötigt seine spezifizierte Versorgung; allein das Stromausgangspaar versorgt seine Elektronik nicht.
F2. Warum sind 24 V DC statt 12 V üblich?
Sie bieten häufig eine nützliche Reserve für die Messumformerspannung, Kabelwiderstände und Reihenlasten. Wählen Sie die Versorgung innerhalb der zulässigen Kennwerte aller Geräte und Stromkreise. Kein einzelner DC-Spannungsgrenzwert gewährleistet unter allen nassen, explosionsgefährdeten oder fehlerhaften Bedingungen Berührungssicherheit.
F3. Was passiert beim Anschluss eines Zweileiter-Messumformers an eine Dreileiterkarte?
Prüfen Sie die tatsächlichen Anschlussklemmen und ob der Eingang die Schleife speist oder nur den Strom misst. Manche Eingänge unterstützen mehrere Schaltungen. Verwenden Sie das freigegebene Schaltbild; die Bezeichnung nach Leiterzahl allein bestimmt nicht die Kompatibilität.
F4. Benötigt ein Vierleiter-Messumformer einen separaten Trenner?
Prüfen Sie Isolationsspezifikation, Ausgangsart und Gleichtaktgrenzen des Eingangs. Manche Geräte bieten die erforderliche Trennung bereits, andere nicht. Vier Leiter sind kein Nachweis einer galvanischen Trennung.
